CN101567239B

CN101567239B - 一种正温度系数过流保护器件及制备方法

Info

Publication number: CN101567239B
Application number: CN2009100523959A
Authority: CN
Inventors: 胡定军; 唐佳林; 廖江泉; 金华玲
Original assignee: Shanghai Keter Polymer Material Co Ltd
Current assignee: Shanghai Keter Polymer Material Co Ltd
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2029-06-02
Also published as: CN101567239A

Abstract

本发明提供一种具有更高性能的正温度系数过流保护器件，涉及具有正温度系数的导电聚合物复合材料为主要原料的电子元器件及其制造方法。它由导电聚合物复合材料为芯材和贴覆于芯材两面的金属镀镍箔片构成。特点是导电聚合物复合材料含有一种导电金属氧化物颗粒；用该芯材制作的正温度系数过流保护器件在室温下呈现低电阻率和较高的耐电压能力，提高了其使用安全可靠性。

Description

一种正温度系数过流保护器件及制备方法

技术领域

本发明涉及一种正温度系数过流保护器件，并且涉及其制备方法，本发明具体涉及一种表现正温度系数电阻行为的高分子过流电阻器件，该器件具有较低的室温电阻率的和较高的耐电压能力，属于过流过温保护器件的技术领域。

背景技术

正的温度系数(Positive Temperature Coefficient，缩写PTC)泛指正温度系数很大的半导体材料。通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻(PTC Thermistor)

表现正温度系数行为的高分子过流保护器件广泛应用于电路保护器件中进行过流过温保护。在这些应用中，希望该电路保护器件的电阻尽可能低，以便在正常工作期间使其对电路电阻的影响最小化。同时也希望它们在电路板上占据的空间较少且具有理想的热性能。特别是在锂离子电池中，其在正常工作状态下需要较高的维持电流，要求正温度系数保护器件电阻越小越好，保证正常电路中功耗更小，并具有较高的耐电压能力，能够承受住6V，12V或者更高的16V的电压能力。

导电复合材料的电阻率能够通过加入较多的导电填料来减少，但这种方法会影响高分子过流保护器件的耐电压能力。要降低导电复合材料的电阻率，必须增加炭黑的用量。但当增加炭黑含量时，不可能得到足够高的PTC强度。导致器件的耐电压能力急剧降低，迄今，在聚合物中加入导电炭黑未获得具有低体积电阻率同时有具有较高耐电压能力的器件，但作为3G手机锂电池用过流过温保护器件一般都要求导电复合材料的室温电阻率在0.5Ω.cm以下，其使用的电压都在6V，12V或者更高，这就要求所使用的导电复合材料体积电阻率越小越好，保证正常电路中功耗更小，同时也应该具有较高的耐电压能力，能够承受电路发生故障时较高的电压负载。

通常为了得到具有较高耐电压能力的正温度系数过流保护器件，人们会在导电复合材料中添加金属氢氧化物，如氢氧化铝，氢氧化镁等，但是添加上述金属氢氧化物将会导致器件的电阻变大，达不到使用要求。

为了得到低电阻率和较高耐压能力的导电复合材料，人们一直在进行各种新的研究。目前已有采用金属镍粉作为导电填料得到复合上述要求的过流保护器件，但该类器件目前仅仅只能应用于6V左右的电压，而且存在耐热性不高和储存时的稳定性低的问题，而且此类材料随着使用时间的增加，其电阻值显著的增加，同时该类材料价格昂贵，成本高的缺点。

在此，为适应上述具有3G锂电池用过流过温保护器件的低电阻和较高耐电压能力的要求，对产生PTC现场的原理研究的基础上新开发的一种过流保护器件。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，克服现有电路保护器件的导电复合材料增加炭黑用量具有低电阻率同时不具有高耐电压能力的问题；在导电复合材料中添加金属氢氧化物，具有较高耐电压能力，但会导致器件的电阻变大；采用金属镍粉作为导电填料成本高的缺点；本发明提供一种用于生产具有低电阻率同时具有较高耐电压能力的的正温度系数过流保护器件。该发明可以作为一种常规的过流过温保护器件中，特别适合用于制作3G手机等通信领域的表面贴装型过流/过温保护器件。

本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：

一种正温度系数过流保护器件，包括芯材和金属镀镍箔片，金属镀镍箔片贴覆于芯材的两面，其特征在于，所述芯材包含导电金属氧化物颗粒。

包括芯材由高分子聚合物、导电炭黑和导电金属氧化物颗粒组成，其配方重量百分比为：

高分子聚合物 30％～53％

导电炭黑 45％～60％

导电金属氧化物 2％～10％。

所述正温度系数过流保护器件在室温25℃的体积电阻率至多为1.0Ω.cm。

所述导电金属氧化物颗粒重量百分比优选为4％～8％。所述导电金属氧化物颗粒为氧化铟，氧化锡，氧化锌颗粒的一种或任意组合。

所述导电金属氧化物颗粒体积电阻值在1～1000Ω.cm，粒径在0.5～20um，长径比不小于3。

所述高分子聚合物是热塑性树脂的结晶性聚合物。所述高分子聚合物为聚烯烃、含氟聚合物、聚酰胺热塑性结晶性聚合物中的一种或任意组合。

所述导电碳黑粒径在30nm～280nm。

一种根据权利要求1所述的正温度系数过流保护器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

a.将高分子聚合物、导电炭黑和导电金属氧化物颗粒进行混合，制成芯材；

步骤a中所述共混的方法可以为开炼、单螺杆、双螺杆混合中的一种。混合的温度在160～200℃之间，所述高分子聚合物、导电炭黑和导电金属氧化物混炼挤出成片材。

b.将芯材两面贴覆金属镀镍箔片，金属镀镍箔片作为电极层，再通过模压成片材模压方法制成片材，再冲切成的芯片；

c.将成型后的芯片在高于聚合物熔点的温度进行热处理；

步骤c中所述芯片在高于聚合物熔点10℃～60℃条件下热处理1小时。

d.交联：将热处理后的芯片采用辐射、过氧化物、硅烷或光化学方法交联。

在步骤d中，所述辐射方法可以采用β-射线、γ-射线(Co60)辐射或电子束辐照中的任意一种，辐照剂量为10～40Mrad，辐照气氛为空气或限量空气。

上述正温度系数过流保护器件通过所述高分子聚合物、所述导电炭黑和所述导电金属氧化物混炼挤出成片材后热压金属箔片，再冲切成所需形状后采用辐照交联方式进行交联制成。该器件也可以制作成表面叠装型过流保护器件。

本领域技术人员理解，期望的结晶性聚合物材料，导电填充材料的类型和量取决于组合导电复合材料的期望特性。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明的优点是在原料中新增加了一种导电金属氧化物，根据这些方式，本发明能够为适应具有3G锂电池用高分子热敏电阻元器件的低电阻和良好的PTC特性的要求，产品具有较低的室温电阻值，又具有电阻重复性高和较好的耐电压能力。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1是本发明的正温度系数过流保护器件的结构示意图

图2是实施例1制备的是本发明的正温度系数过流保护器件的电阻率随温度变化的关系曲线。

图3是对比例1制备的常规的正温度系数过流保护器件的电阻率随温度变化的关系曲线。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种正温度系数过流保护器件，包括芯材100(参见图1中间部分)和金属镀镍箔片210、220(参见图1上下两边部分)，金属镀镍箔片210、220贴覆于芯材100的两面，芯材100包括高分子聚合物、导电炭黑和导电金属氧化物颗粒。

以下具体实施例和对比例中采用的高分子聚合物、导电炭黑、导电金属氧化物和金属氢氧化物各组分原料，包括各组分原料的品名、牌号以及生产厂家；

高分子聚合物采用线性低密度聚乙烯(LLDPE)：牌号为FN800，韩国SK生产；

导电碳黑：商品名为Ravenl6，Columbian公司生产；

导电金属氧化物为导电ZnO材料：牌号Pana-Tetra，Pansonic公司生产，体积电阻率为10Ω.cm，粒径为0.7um，长径比为10；

金属氧化物采用氧化锌：体积电阻率大于10⁸Ω.cm，规格2000目上海岷珉氧化锌有限公司生产。

具体实施例1～3和对比例1～3所制作的导电复合材料按照重量进行配比具体的组成见表1。

表1PTC材料组成配方(重量份数比)

组分	LLDPE	导电炭黑	导电金属氧化物	金属氧化物
					牌号	FN800	Raven16	导电ZnO	ZnO
实施例1	100	120	15
					实施例2	100	120	5
实施例3	100	120	25

对比例1	100	120
				对比例2	100	120	40
对比例3	100	120	15

具体的制造方法为：

首先，将上述材料经过预混后，采用双螺杆进行挤出，得到片层状复合材料，挤出的复合材料厚度为0.15mm，宽度为200mm，挤出温度梯度从170℃到200℃。

随后，上述材料进行裁切修边后，贴覆金属镀镍箔片电极层，再进行模压成型，成型后的裁切成尺寸为：宽200mm*长200mm*厚度0.20mm的芯片。要得到能够符合实际实用的产品，还必须按照要求冲切成所需的形状。这里冲切后的尺寸为：8mm*10mm*0.8mm。

为得到稳定的PTC特性的复合材料，冲切后的产品进行热处理和辐照。热处理的温度为聚合物熔点以上10～60℃，时间为1小时，辐照这里采用电子束进行，剂量为10～40Mrad。

性能测试：

将上述得到的产品取5个测试平均电阻率和PTC强度以及耐电压能力，测试的样品的室温平均电阻率和PTC强度以及耐电压能力见表2；

这里PTC强度的计算方法为：PTC强度I＝R(160℃)/R(室温25℃)；R(160℃)为温度为160℃时的电阻值。

表2实施例和对比例性能测试表

对实施例1和对比例1进行电阻率随温度变化的测试，图2是本发明的具体实施例1制备的正温度系数过流保护器件的电阻率随温度变化的关系曲线。图3是本发明的对比例1制备的常规的正温度系数过流保护器件的阻率随温度变化的关系曲线。

通过以上具体实施例和对比例，可以看出，采用本发明制备的正温度系数过流保护器件具有电阻小，PTC强度高，耐电压能力高的特点。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims

1.一种正温度系数过流保护器件，包括芯材和金属镀镍箔片，金属镀镍箔片贴覆于芯材的两面，所述芯材包括高分子聚合物、导电炭黑和导电金属氧化物颗粒，其配方重量百分比为：

高分子聚合物 30％～53％

导电炭黑 45％～60％

导电金属氧化物 2％～10％；

所述导电金属氧化物颗粒为氧化铟、氧化锡、氧化锌的一种或任意组合；其特征在于，所述导电金属氧化物颗粒体积电阻率在1～1000Ω.cm，粒径在0.5～20um，长径比不小于3。

2.根据权利要求1所述的正温度系数过流保护器件，其特征在于，所述正温度系数过流保护器件在室温25℃的体积电阻率至多为1.0Ω.cm。

3.根据权利要求1所述的正温度系数过流保护器件，其特征在于，所述高分子聚合物为聚烯烃热塑性结晶性聚合物、含氟热塑性结晶性聚合物、聚酰胺热塑性结晶性聚合物中的一种或任意组合。

4.根据权利要求1所述的正温度系数过流保护器件，其特征在于，所述导电炭黑粒径在30nm～280nm。

5.一种根据权利要求1所述的正温度系数过流保护器件的制备方法，其特征在于，由下述步骤组成：

b.将芯材两面贴覆金属镀镍箔片，金属镀镍箔片作为电极层，再通过模压成片材模压方法制成片材，再冲切成芯片；

c.将成型后的芯片在高于聚合物熔点10～60℃的温度进行热处理；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤d中，所述辐射方法采用β-射线、γ-射线辐射或电子束辐照中的任意一种，辐照剂量为10～40Mrad，辐照气氛为空气。